山間凹陷式地下水庫在吐魯番盆地的可行性分析

王 超，徐華君

(新疆大學 資源與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046)

1 引言

在干旱地區，為了解決水資源的調蓄問題，人們常常采用大量修建地表水庫的方式來解決。實際上，由于降水和蒸發的巨大差異，疏松的土質引起的嚴重滲漏，地表水庫的水資源利用效率很低。以新疆為例，已經建成的600余座地表水庫總庫容量約為59.3 億m3，但是每年因蒸發和滲漏導致的水資源流失達到34.1 億m3，占總庫容量的57.5%，其中這些水庫年蒸發量達到26.1億m3，年滲漏量8 億m3，水資源流失十分嚴重[1～2]。而干旱地區的山區，由于降水稀少、地質構造復雜、地表水與地下水之間的相互轉換更加頻繁，水資源短缺的問題更加突出，地下水庫有著更為深遠的意義。作為我國最干旱的地區之一，為了解決缺水問題，吐魯番地區的水利部門修建了二塘溝、煤窯溝、阿拉溝、大河沿等水庫工程，因蒸發和滲漏問題，這些水庫工程效果都不好，大量使用機電井又造成了地下水的失衡。本文針對地下水庫的特性，結合吐魯番盆地的實際情況，對吐魯番盆地是否適合建設山間凹陷式地下水庫進行分析和探討。

2 區域概況

吐魯番盆地是位于新疆東部地區的一個極度干旱型內陸盆地，北鄰博格達山，西鄰卡拉烏成山，東鄰庫木塔格山，南鄰覺羅塔格山。其中，博格達山海拔5440 m，卡拉烏成山海拔4 320 m，兩山的頂部常年被冰雪覆蓋，庫木塔格山和覺羅塔格山則較為低平，海拔在700～1600 m。盆地中部偏北橫亙著海拔約450 m的鹽山和火焰山，將吐魯番盆地分割為南盆地和北盆地。北盆地為北高南低，是天山山脈在地質時期形成的淤積平原，南盆地是由山前沖積物形成的沖積平原。

吐魯番盆地這種特殊的地理位置和盆地地形、地勢特點，使盆地呈現出典型的干燥、高溫、多風的干旱荒漠氣候特征。整個盆地除北部地區發源于天山的14條季節性河流外，吐魯番地區缺少穩定的地表水存在。

3 建庫條件分析

3.1 水文地質條件

受到第三紀火焰山褶皺帶的分割，將盆地分為南盆地和北盆地兩部分，發育成了2個明顯的第四紀凹陷區，在凹陷區填充了巨厚的洪積層(砂礫石和黏土)。在火焰山以北，凹陷區以大顆粒的礫石為主，透水性極好，源于北部博格達山的河流在流出山口后順坡向南流，大量河水迅速滲入地下補充地下水。潛水徑流在向南流動的過程中，在盆地中部收到火焰山隆起帶的阻擋，于是地下水在火焰山北部聚集，下部的亞砂土和砂巖是比較穩定的隔水層[4]，形成了天然的山間凹陷式地下水庫，并且庫容巨大。

3.2 地下水補給條件

吐魯番盆地的北部和西部的山區，降水較多，再加上有豐富分冰雪融水補給，在山區形成了多條河流，如阿拉溝河、白楊河、大河沿河、塔爾朗河、塘溝河等，加上出露的泉水，其地表水資源總量達到9.42 億m3[5]。盆地的地下水主要靠這些地表水資源的轉化補給，主要補給途徑為：一是山區基巖裂隙水，在吐魯番盆地有比較明顯的松散沉積物(包括砂土與砂礫石)與山區穩定的變質巖基巖相連，山區基巖的裂隙水就可以直接補充盆地的地下水，這種地下水的補給能力十分有限；二是河床滲漏補給地下水，吐魯番地區的河流在流出山口后，要通過廣闊的礫石帶，除去蒸發的部分，河水源源不斷的滲漏入地下補給地下水直至河水消失，在距離出山口的十幾公里的范圍內，北盆地的地表徑流幾乎全部轉化為地下徑流。此外，吐魯番盆地還有大量的2次補給，包括引水渠道入滲、水庫入滲、灌溉入滲、坎兒井渠道和澇壩入滲。

可見，在極端干旱的吐魯番盆地，有著較為豐富的地下水。此外，采取人工措施提高地下水入滲效率，減少在各個階段因蒸發造成的無效水分流失，就能有效提高地下水庫的水量補給。

3.3 地形地貌

北盆地位于博格達山與火焰山隆起帶之間形成的山間凹陷，覆蓋了巨厚的第四紀第四紀砂卵礫石層，是典型的山間凹陷式地下儲水構造。博格達山前的沖洪積扇的坡度除了在出山口附近較大外，沖洪積扇中部和下緣的坡度都小于3%，在接近火焰山的地方甚至接近和小于1%，北盆地的地下水的水利坡度從盆地邊緣到盆地中心穩定在0.4%～2%，這種地形使得在北盆地下緣地帶修建自流引水設施十分便利。在北盆地靠近火焰山的地區，潛水埋深一般小于20 m，在坡度接近1%的地帶修建一條直線距離約為2～3 km的引水管道即可將地下水庫的水自動引出地表。

3.4 技術條件

水壩建設、地下水補給、引滲和取水是一般地下水庫建設的難點和關鍵。在北盆地，火焰山隆起帶是天然的水壩，因此無需修建地下大壩。目前，地面入滲法和地下灌注法是比較成熟的人工補給地下水方法，挖井抽水技術已趨于完善，只要采取一定的措施將地下水庫的水匯聚，引出地表并進行人為調控。但地下水庫通常遠離居民住宅區灌區，相對成本較高，如何布置取水系統，則要根據實際情況進行規劃和設計。

綜上所述，從水文地質、地下水補給、地形地貌和技術條件等各個方面來看，在吐魯番北盆地修建山間凹陷式地下水庫都是可行的。

4 山間凹陷式地下水庫的結構設計

大多數類型的地下水庫都是由地下水回補工程、集水工程和輸水工程3個部分構成。2012年，新疆溫宿縣臺蘭河流域的臺蘭河地下水庫完工，這是一座典型的山前凹陷式地下水庫[6]，也被稱為山前沖洪積扇凹陷帶坎兒井式地下水庫。受構造運動的影響，山前形成了巨大的凹陷，并在凹陷帶內不斷沉積砂礫石，成為優良的地下水儲水構造。在沖積平原地區，顆粒物逐漸變細，透水性變差，形成相對阻水的地下水壩。因此無需修建人工大壩，只需采取措施補充地下水，在扇緣地帶分別修建一條橫向的集水廊道和一條縱向的輸水廊道即可。

4.1 地下水回補工程

地下水庫的作用在豐水期或者用水量小的時候，將地表水儲存在地下，減少因蒸發造成水資源流失，枯水期再將儲存的地下水開采出來利用，同時騰出空間，準備下一次的儲水[7]。因此，要使地下水庫可以長時間使用，必須采取有效措施，增加地下水的補給量。

根據吐魯番盆地的地形地貌和水文地質特點，地面入滲法是最適合也是最經濟的地下水回補方式，地下灌注法成本很高，很容易發生泥沙淤積，清理難度大，不予考慮。具體實施方式以大河沿河為例(圖1)，在河流流出山口的3～5 km范圍內，在河流兩側依據地形地勢挖掘密集的引滲渠道，渠道兩側布置滲坑和滲水井，表層填充砂礫石，提高河水的入滲效率，減少地表水存在的范圍和時間。

圖1 地下水庫回補工程

4.2 集水工程與輸水工程

山間凹陷式地下水庫與山前凹陷式地下水庫相似，集水功能和輸水功能可以通過一條橫向的集水廊道和一條縱向的輸水廊道來實現，集水廊道和輸水廊道的結構可以借鑒傳統坎兒井的基本形式，布置一系列的豎井。與傳統坎兒井沿著河流和地下水源流動方向布局不同，集水廊道沿著水流方向橫向布局，也被稱為“橫坎兒井”[8]，由一條橫向的渠道和集水井構成。

在火焰山北側依據地形布置一條由集水井和渠道連接“橫坎兒井”集水廊道，集水功能就可以完全由集水井承擔，可以通過集水井的深度、集水廊道的寬度來調蓄地下水庫的庫容。集水井之間設置與低于地下水位的輸水管道相連，由沿著等高線布置的主輸水管路通向下游的綠洲和部落。

利用沖洪積扇下緣的地面自然縱坡，修建一條輸水廊道，輸水廊道的主輸水管路的坡度應小于地面坡度，也小于地下水面坡度，這樣就可將橫坎兒井集水廊道內的水自流引出地面。輸水廊道與集水廊道的埋深基本一致，埋深越大，控制水量越大，但工程難度和投資也會相應增大，為了降低工程造價，利用輸水管道豎井之間水面和水位落差自流引水或利用虹吸作用向下游供水，進入綠洲和農田的灌溉系統。

5 結論

(1)北盆地是博格達山與火焰山隆起帶之間形成的山間凹陷，是優質的地下儲水構造。博格達山上有穩定的補給水源，山前沖洪積扇上厚達數百米的松散沉積物是優質的儲水場所，火焰山隆起帶是天然的地下水庫阻水大壩，下部的亞砂土和砂巖是比較穩定的隔水層，形成了天然的地下水庫，并且庫容巨大。從水文地質、地下水補給、地形地貌和技術條件等各個方面來看，在吐魯番北盆地修建山間凹陷式地下水庫都是可行的。

(2)地下水庫利用天然的水文地質構造，克服當地地表水蒸發導致的嚴重損失，極大地提高了水資源的利用效率。這種模式能夠積極有效地控制地下水位，保持地下水平衡，與地表水庫更具經濟性，可作為解決吐魯番地區水資源問題的一個重要方向，為干旱區流域規劃提供新思路和新途徑。

(3)地下水回補工程和輸水工程是地下水庫的關鍵，決定了地下水庫能否長期運行和正常投入使用。泥沙淤積對地下水回補工程影響很大，分散的村落和綠洲使得輸水工程的建設和水源調蓄的難度增大，是今后需要解決的主要問題。